CN211063577U - 一种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路，主要包括收发转换模块、滤波模块、运算放大电路，收发转换模块设有保护二极管对D1、D2、D3、D4，以及电阻R4和功率电感L，滤波模块包括电阻R1、电容C，与功率电感构成带通滤波，运算放大电路由低电压、电流噪声运放及电阻R2、R3构成。本实用新型用功率电感替代收发转换模块的功率电阻，调整优化放大电路输入端RC滤波参数，从而消除原电路中功率电阻对放大电路噪声、信号接收效率的影响；可用于主动声纳回波信号的低噪声放大及电路噪声量级评估；提高了信号接收效率；建立了噪声计算模型，验证了电路设计正确性，可指导同类型电路设计。

Description

一种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路
本实用新型涉及主动声纳信号接收电路的领域，具体涉及一种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路。
背景技术
由弗里斯公式可知，级联放大电路各级对噪声的影响不同，越是前级，影响越大。当初级放大电路的放大倍数足够大时，系统的总噪声取决于初级放大电路的噪声。因此，初级放大电路的低噪声设计至关重要。
发射机与接收机共用一个换能器阵时，必须采用收发转换模块，使接收机在发射时免受大功率信号损坏，接收时正常接收回波。目前广泛使用的收发转换模块是在初级放大电路前端串联功率电阻，优点是电路简单可靠，抗干扰能力强。缺点是为减少功率电阻对发射效率的影响，要求阻值远大于换能器阻抗，当换能器阻抗较大时，功率电阻热噪声远大于其它噪声，成为初级放大电路主要噪声源，并且该电阻与放大电路输入端RC滤波电路中的电阻R构成分压电路，降低了电路的接收效率，成为限制声纳设备作用距离的重要因素。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路。
本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的：这种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路，主要包括收发转换模块、滤波模块、运算放大电路，收发转换模块设有保护二极管对D1、D2、D3、D4，以及电阻R4和功率电感L，滤波模块包括电阻R1、电容C，与功率电感构成带通滤波，运算放大电路由低电压、电流噪声运放及电阻R2、R3构成。
低噪声初级放大电路的等效输入噪声模型将电路噪声分解为五部分并给出相应的计算方法，主要包括以下内容：
1)放大芯片电压噪声Vn；
2)放大芯片电流噪声In流经正输入端等效阻抗Zreq1产生的流噪声Vireq1；
3)放大芯片电流噪声In流经负输入端等效电阻Rreq2产生的流噪声Vireq2；
4)正输入端电阻R1的热噪声等效到输入端的噪声值Vnreq1；
5)负输入端等效电阻Rreq2产生的热噪声Vnreq2。
本实用新型的有益效果为：本实用新型用功率电感替代收发转换模块的功率电阻，调整优化放大电路输入端RC滤波参数，从而消除原电路中功率电阻对放大电路噪声、信号接收效率的影响；可用于主动声纳回波信号的低噪声放大及电路噪声量级评估；消除了放大芯片正输入端电流噪声、功率电阻热噪声的影响，降低了初级放大电路的电路噪声；提高了信号接收效率；建立了噪声计算模型，验证了电路设计正确性，可指导同类型电路设计；可广泛应用于收发合置的换能器前置放大电路中。
附图说明
图1为收发合置声纳通用的初级放大电路原理示意图。
图2为通用初级放大电路等效输入噪声模型示意图。
图3为本实用新型的原理示意图。
图4为本实用新型的等效输入噪声模型示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路，主要包括收发转换模块、滤波模块、运算放大电路，收发转换模块设有保护二极管对D1、D2、D3、D4，以及电阻R4和功率电感L，滤波模块包括电阻R1、电容C，与功率电感构成带通滤波，运算放大电路由低电压、电流噪声运放及电阻R2、R3构成。
低噪声初级放大电路的等效输入噪声模型将电路噪声分解为五部分并给出相应的计算方法，主要包括以下内容：
1)放大芯片电压噪声Vn；
2)放大芯片电流噪声In流经正输入端等效阻抗Zreq1产生的流噪声Vireq1；
3)放大芯片电流噪声In流经负输入端等效电阻Rreq2产生的流噪声Vireq2；
4)正输入端电阻R1的热噪声等效到输入端的噪声值Vnreq1；
5)负输入端等效电阻Rreq2产生的热噪声Vnreq2。
本实用新型的具体设计：
(1)功率电感参数计算：功率电感的选型主要有以下几个方面：
1)电感感抗：远大于换能器阵阻抗，近似等于所替代的功率电阻阻值，即
ω0L≈Rw
其中ω0表示声纳工作角频率；L表示功率电感值；Rw表示功率电阻阻值。
2)最大电流(IDC)：大于发射机工作时的平均电流；
3)电磁干扰：选取带有磁屏蔽的器件。
(2)放大电路RC滤波参数计算：为了消除功率电感对接收回路的影响，提高电路接收效率，优化放大电路输入端滤波电路R1、R4、C的值。
1)容值C的计算方法：
Figure BDA0002235832110000021
2)电阻R1的取值考虑两方面：
a)R1阻值远大于换能器阻抗，以保证信号接收效率；
b)放大电路带宽要大于声纳工作带宽，同时抑制输入端低频干扰，电路输入端带宽计算公式为：
Figure BDA0002235832110000022
其中ω0表示声纳工作角频率；f0表示声纳工作频率；Q表示电路品质因素，L表示功率电感值；R1表示输入端滤波电阻阻值，C表示滤波电容容值。
3)电阻R4的取值：
电阻R4的阻抗要求远大于R1、C的串联阻抗，消除其对接收回路的影响。
(3)发射电路参数计算：
采用上述电路，相当于在发射回路并联了一个电感，发射机阻抗匹配过程中，要尽可能消除并联电感对发射回路的影响。
(4)噪声计算模型：
如附图1所示：设计中C的容抗远小于R1、Rw，忽略其对信号接收效率及电路噪声的影响，信号接收效率为：
Figure BDA0002235832110000031
附图2为通用初级放大电路等效输入噪声模型示意图(忽略C、保护二极管对及换能器阵影响)，噪声源主要分为五个部分：
1)放大芯片电压噪声Vn；
2)放大芯片电流噪声In流经正输入端等效电阻Rreq1产生的流噪声Vireq1；
3)放大芯片电流噪声In流经负输入端等效电阻Rreq2产生的流噪声Vireq2；
4)正输入端等效电阻Rreq1的热噪声Vnreq1；
5)负输入端等效电阻Rreq2产生的热噪声Vnreq2。
其中：Rreq1＝R1//Rw；Rreq2＝R2//R3。
任何高于绝对零度的电阻都存在热噪声，噪声谱计算公式如下：
Figure BDA0002235832110000032
其中，k为玻耳兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；温度T为绝对温度，从而：
Vireq1＝In·Rreq1；Vireq2＝In·Rreq2；
Figure BDA0002235832110000033
Figure BDA0002235832110000034
通过选取低电压、低电流噪声芯片，使Vn、Vireq1、Vireq2远小于Vnreq1，合理设置反馈电路电阻R2、R3，使Vnreq2远小于Vnreq1，从而：
Vtotal≈Vnreq1
设计中一般R1远大于Rw，Rreq1约等于Rw，电路主噪声为功率电阻热噪声。
附图3为本实用新型的原理示意图，信号接收效率为：
Figure BDA0002235832110000035
在工作频率附近，
Figure BDA0002235832110000041
Figure BDA0002235832110000042
附图4为本实用新型的等效输入噪声模型示意图(忽略保护二极管对及换能器阵的影响)，该电路噪声同样由五部分组成：
1)放大芯片电压噪声Vn；
2)放大芯片电流噪声In流经正输入端等效阻抗Zreq1产生的流噪声Vireq1；
3)放大芯片电流噪声In流经负输入端等效电阻Rreq2产生的流噪声Vireq2；
4)正输入端电阻R1的热噪声等效到输入端的噪声值Vnreq1；
5)负输入端等效电阻Rreq2产生的热噪声Vnreq2。
其中，第1、3、5项的计算方法与通用放大电路噪声模型相同。
Figure BDA0002235832110000043
Figure BDA0002235832110000044
在工作频率附近，
Figure BDA0002235832110000045
Vnreq1≈0；Vireq1≈0；
Figure BDA0002235832110000046
以实际项目为例，设备工作频率150kHz，带宽为30kHz，换能器阻抗约200Ω，放大芯片电压噪声Vn为2.1nV/√Hz；电流噪声为1.4pA/√Hz；采用通用初级放大电路，Rw＝1.5kΩ；C＝100nF；R1＝5.1kΩ；R2＝100Ω；R3＝2kΩ；信号接收效率为77.2％，等效输入噪声谱约5.3nV/√Hz，带内噪声约0.92μVrms。采用本初级放大电路，用2.2mH功率电感L代替Rw；滤波电容C＝470pF；R1＝2kΩ；R4＝15kΩ；R2＝100Ω；R3＝2kΩ；信号接收效率约为100％，等效输入噪声谱约2.5nV/√Hz，带内噪声约0.43μVrms。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本实用新型的技术方案及实用新型构思加以等同替换或改变都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路，其特征在于：主要包括收发转换模块、滤波模块、运算放大电路，收发转换模块设有保护二极管对D1、D2、D3、D4，以及电阻R4和功率电感L，滤波模块包括电阻R1、电容C，与功率电感构成带通滤波，运算放大电路由低电压、电流噪声运放及电阻R2、R3构成。
2.根据权利要求1所述的适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路，其特征在于：所述的功率电感的电感感抗远大于换能器阵阻抗，近似等于所替代的功率电阻阻值，即
ω0L≈Rw
其中ω0表示声纳工作角频率；L表示功率电感值；Rw表示功率电阻阻值。
3.根据权利要求1所述的适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路，其特征在于：所述的R1阻值远大于换能器阻抗，放大电路带宽要大于声纳工作带宽，同时抑制输入端低频干扰，电路输入端带宽计算公式为：
Figure FDA0002235832100000011
其中ω0表示声纳工作角频率；f0表示声纳工作频率；Q表示电路品质因素，L表示功率电感值；R1表示输入端滤波电阻阻值，C表示滤波电容容值。
4.根据权利要求1所述的适用于收发合置换能器的低噪声初级放大电路，其特征在于：所述的电阻R4的阻抗要求远大于R1、C的串联阻抗。
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